具有小直径的带涂层低损耗多模光纤的制作方法
本说明书涉及设计用于有效耦合到硅光子学中使用的芯片和器件的光纤。更具体地，本说明书涉及多功能光纤，其在紧密弯曲配置中具有低宏弯曲弯曲损耗以及有效耦合到单模光源和多模光源、波导、其他光纤以及在光信号的传送和接收中使用的检测器。最具体地，本说明书涉及具有涂层的小直径多用途光纤，其使微弯损耗最小化。
背景技术：
对更大带宽和更高数据传输速率的需求促使致力于开发用于信息存储和传递的下一代平台。人们普遍认为，光学信息系统将为当今的基于微电子的系统提供优越的性能。基于硅光子学的集成光学系统是微电子系统的主要替代技术。硅光子平台与标准cmos技术和wdm(波分复用)对接，以便将电信号转换为光信号，发送光信号，并且将光信号再转换为电信号。在分解系统中，单元之间的信号传输通过提供高模带宽和高数据传输速率的光链路发生。
光纤和收发器之间的低损耗耦合是数据中心和高性能计算应用的关键挑战。为了高效地操作，需要最小化去往和来自光链路以及集成光学系统中使用的器件的光信号的传输中的损耗。在系统中使用的光源、芯片、波导、光纤和接收器之间以及用于传递光信号的链路之间需要光信号的有效耦合。
特别感兴趣的是光信号与硅光子技术中使用的组件的有效耦合。硅光子学中的典型光学数据链包括：形成在硅衬底中或硅衬底上的光源，该光源产生体现数据的光信号；用于传送光信号的光纤；以及用于接收光信号的检测器，其中该检测器形成在硅衬底中或硅衬底上。光源和检测器是“片上”器件，并且需要芯片和互连光传输光纤之间的光信号的有效耦合以实现技术平台。包含光源的芯片在本文中可称为传送芯片，并且还可包括用于接收电信号并将电信号转换为光信号的器件。包含检测器的芯片在本文中可称为接收芯片，并且还可包括用于将光信号转换为电信号的器件。
光纤到片上器件的有效耦合是具有挑战性的，因为硅光子技术的许多有希望的应用需要在有限的空间中实现。为了使系统尺寸最小化，经常需要以高度弯曲的配置部署光纤。因此，光纤必须能够抵抗宽范围的弯曲角度下的宏弯损耗。另外，光纤必须表现出低的微弯损耗。
已经提出了各种减少光纤到传送芯片和接收芯片的耦合损耗的技术。大多数技术使用透镜和光转向元件在传输光纤和用于光学数据传送的传送芯片和接收芯片之间形成光桥。然而，迄今为止，进展受到限制并且实现小于2db的耦合损耗已被证明是难以克服的挑战。需要用于改善集成光学系统中的组件之间的耦合效率的新技术。
技术实现要素：
提供了一种具有涂层的多用途光纤。光纤可以用作传输光纤或用作光学数据链的耦合光纤，其具有对硅光子激光器、vcsel、单模传输光纤、多模传输光纤和高速接收器的低耦合损耗。耦合光纤提高了传输光纤与芯片、光源和光学数据处理和传送的系统中使用的检测器之间的耦合效率。耦合光纤还提供高模带宽和低弯曲损耗，使其适合用作多模传输光纤。特别感兴趣的是使用耦合光纤来实现传输光纤与基于芯片的光源和检测器的低损耗耦合。
耦合光纤是多模光纤，其折射率分布被设计成使与光源、传输光纤和检测器的耦合效率最大化。耦合光纤包括纤芯、可选的内包层区域、可选的凹陷折射率包层区域、外包层区域以及涂层。耦合光纤的相对折射率分布包括具有α分布和高数值孔径的小半径纤芯区域，其有助于低弯曲损耗和高模带宽。耦合光纤的模场直径与标准单模传输光纤很好地匹配，并且耦合光纤的光学扩展量足够高以便有效地耦合到多模传输光纤。光纤的涂层厚度和总直径较小。
本说明书延伸至：
一种多模光纤，包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在10μm至20μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，该包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在-0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持1310nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在1310nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及大于0.22的数值孔径。
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一种多模光纤，包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在10μm至20μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，所述包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在--0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持850nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在850nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及大于0.22的数值孔径。
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一种多模光纤，包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在10μm至20μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，所述包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在--0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持1550nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在1550nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及大于0.22的数值孔径。
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一种多模光纤，包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在18μm至22μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，所述包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在-0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持1310nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在1310nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及0.18至0.24范围内的数值孔径。
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一种多模光纤，包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在18μm至22μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，所述包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在-0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持1064nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在1064nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及0.18至0.24范围内的数值孔径。
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一种多模光纤，包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在18μm至22μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，所述包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在-0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持850nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在850nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及0.18至0.24范围内的数值孔径。
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一种光学数据链，包括：
发射器，所述发射器包括光源，所述光源提供光；以及
第一多模光纤，该第一多模光纤可操作地连接到所述发射器，所述第一多模光纤接收来自所述光源的所述光，所述第一多模光纤包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在10μm至20μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，该包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在-0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持1310nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在1310nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及大于0.22的数值孔径。
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一种光学数据链，包括：
发射器，所述发射器包括光源，所述光源提供光；以及
第一多模光纤，该第一多模光纤可操作地连接到所述发射器，所述第一多模光纤接收来自所述光源的所述光，所述第一多模光纤包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在10μm至20μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，所述包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在-0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持1550nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在1550nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及大于0.22的数值孔径。
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一种光学数据链，包括：
发射器，所述发射器包括光源，所述光源提供光；以及
第一多模光纤，该第一多模光纤可操作地连接到所述发射器，所述第一多模光纤接收来自所述光源的所述光，所述第一多模光纤包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在10μm至20μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，所述包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在-0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持850nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在1550nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及大于0.22的数值孔径。
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一种光学数据链，包括：
发射器，所述发射器包括光源，所述光源提供光；以及
第一多模光纤，该第一多模光纤可操作地连接到所述发射器，所述第一多模光纤接收来自所述光源的所述光，所述第一多模光纤包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在18μm至22μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，所述包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在-0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持1310nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在1310nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及0.18至0.24范围内的数值孔径。
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一种光学数据链，包括：
发射器，所述发射器包括光源，所述光源提供光；以及
第一多模光纤，该第一多模光纤可操作地连接到所述发射器，所述第一多模光纤接收来自所述光源的所述光，所述第一多模光纤包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在18μm至22μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，所述包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在-0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持1064nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在1064nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及0.18至0.24范围内的数值孔径。
本说明书延伸至：
一种光学数据链，包括：
发射器，所述发射器包括光源，所述光源提供光；以及
第一多模光纤，该第一多模光纤可操作地连接到所述发射器，所述第一多模光纤接收来自所述光源的所述光，所述第一多模光纤包括：
纤芯区域，该纤芯区域的外半径r1在18μm至22μm的范围内，并且相对折射率分布由以下关系限定：
以及
包层，所述包层的外半径r4在35μm至60μm的范围内，并且相对折射率δ4在-0.1％至0.1％的范围内；以及
围绕所述包层的涂层，该涂层的外半径r5小于100μm并且厚度小于55μm；
其中所述纤芯区域和所述包层形成波导，该波导支持850nm处的基模和至少一个高阶模，并且所述光纤具有在850nm处至少1.5ghz-km的有效模带宽以及0.18至0.24范围内的数值孔径。
将在随后的详细描述中阐述附加特征以及优点，通过描述这些特征以及优点部分地对所属领域的技术人员显而易见，或通过实施如书面描述所描述以及此处的权利要求以及附图所描述的实施例识别这些特征以及优点。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概观或框架。
各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被收入并构成本说明书的一部分。附图说明了本说明书的所选方面，并与说明书一起用于解释本说明书所包含的方法、产品和组合物的原理和操作。附图中示出的特征是本说明书的所选实施例的说明，并且不一定以适当的比例描绘。
附图简述
尽管本说明书以特别指出并清楚地要求书面描述的主题的权利要求书作出结论，但相信结合附图将从以下书面描述中更好地理解说明书，其中：
图1描绘了光学数据链，其包括发射器、光传输光纤和接收器。
图2描绘了光学数据链，其包括发射器、光传输光纤、接收器和两根耦合光纤。
图3描绘了耦合光纤的横截面图，该耦合光纤具有纤芯区域、内包层区域、凹陷折射率包层区域和外包层区域。
图4描绘了耦合光纤的横截面图，该耦合光纤具有纤芯区域、凹陷折射率包层区域、外包层区域和涂层。
图5描绘了耦合光纤的横截面图，该耦合光纤具有纤芯区域、内包层区域、外包层区域和涂层。
图6描绘了耦合光纤的横截面图，该耦合光纤具有纤芯区域、包层区域、和涂层。
图7描绘了耦合光纤的相对折射率分布，该耦合光纤具有纤芯区域、内包层区域、凹陷折射率包层区域和外包层区域。
图8描绘了耦合光纤的相对折射率分布，该耦合光纤具有纤芯区域、凹陷折射率包层区域、和外包层区域。
图9描绘了耦合光纤的相对折射率分布，该耦合光纤具有纤芯区域和包层。
图10描绘了根据本说明书的两个选定的耦合光纤的相对折射率分布。
图11比较了根据本说明书的标准单模传输光纤和选定的耦合光纤在1310nm处的lp01模的光场强度。
图12示出根据本说明书制造的耦合光纤的测量到的相对折射率分布。
图13示出根据本说明书制造的耦合光纤的测量到的相对折射率分布。
附图中阐述的实施例本质上是说明性的，并不旨在限制具体实施方式或权利要求的范围。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标号来指示相同或类似的特征。
具体实施方式
现在将详细参考本说明书的说明性实施例。
提供本公开作为允许教义，并且通过参考以下描述、附图、示例和权利要求可以更容易地理解本公开。为此，相关领域的普通技术人员将认识和理解可对本文中描述的实施例的各个方面作出许多改变，同时仍获得有益结果。还应当清楚的是，通过选择某些特征而不采用其它特征也可获得本实施例期望的益处。因此，本领域普通技术人员将能认识到，在某些情况下，可能需要、甚至是期望许多修改和改变，这些修改和改变也构成本公开的一部分。因此，应当理解，除非另有说明，否则本公开不限于所公开的具体组合物、制品、设备和方法。也要理解本文中所使用的术语仅为了描述特定的方面而不是限制性的。
现在提供对这里使用的所选术语的解释：
“包括(include)”、“包括(including)”或类似术语意指包含但不限于，也就是说，包括但不排他。
除非另有指定，此处使用的不定冠词“一”或“一个”以及其对应的定冠词“该”意味着至少一个、或一个或多个。
本文报告的选定测量值可以以微米或平方微米为单位表示。单位“微米(microns)”也可表示为“μm”或“微米(micron)”。类似地，单位“微米平方”也可以表示为“μm2”，“微米2(micron2)”或“微米2(microns2)”。
如本文所用，接触是指直接接触或间接接触。直接接触是指在没有中间材料的情况下接触，并且间接接触是指通过一种或多种中间材料接触。直接接触的要素彼此接触。间接接触的要素不会彼此接触，而是接触中间材料或一系列中间材料，其中中间材料或一系列中间材料中的至少一种中间材料接触其他中间材料。接触的要素可以刚性地或非刚性地连接。接触是指将两个要素直接或间接接触。直接(间接)接触中的要素可以被说成彼此直接(间接)接触。
如本文所用，“直接相邻”意指与其直接接触，其中直接接触是指触摸关系。在替代实施例中，中间层或中间区域可存在于纤芯和包层之间，或包层和涂层之间，或内包层区域和纤芯之间，或外包层区域和内包层区域之间，或主涂层和外包层区域之间。由一个或多个中间区域或中间层分开的光纤内的元件在本文中被称为是“间接相邻”的，并且彼此间接接触。术语“相邻”包括彼此直接或间接相邻的要素。
“径向位置”或径向坐标“r”指的是相对于光纤的中心线(r＝0)的径向位置。
“折射率分布”是折射率或相对折射率与光纤半径之间的关系。对于本文描绘为在相邻的纤芯和/或包层区域之间具有阶跃边界的相对折射率分布，处理条件的正常变化可能妨碍在相邻区域的界面处获得尖锐的阶跃边界。应当理解，尽管折射率分布的边界在本文中可描绘为折射率的阶跃变化，但实际上的边界可以是圆形的或以其他方式偏离完美的阶梯函数特性。还应理解，相对折射率的值可随纤芯区域和/或任何包层区域内的径向位置而变化。当相对折射率随着光纤的特定区域(纤芯区域和/或任何包层区域)中的径向位置而变化时，该相对折射率可以用其实际或近似的函数相关性、或者其在该区域内的特定位置处的值、或者适用于整个区域的平均值来表示。除非另有说明，否则如果区域(纤芯区域和/或任何包层区域)的相对折射率表示为单个值，则应理解该区域中的相对折射率是恒定的，或大约是恒定的，并且对应于单个值，或者该单个值表示与该区域中的径向位置的非恒定相对折射率相关性的平均值。无论是通过设计还是正常制造可变性的结果，相对折射率与径向位置的相关性可以是倾斜的、弯曲的或其他非恒定的。
如本文所用，“相对折射率”在等式1中定义为：
除非另有说明，其中ni是半径ri处的折射率，nref是纯石英玻璃的折射率，除非另有说明。因此，如本文所用，相对折射率百分比是相对于纯石英玻璃。如本文所用，除非另有说明，否则相对折射率由δ(或“delta”)或δ％(或“delta％”)表示，并且其值以“％”为单位给出。相对折射率也可以表示为δ(r)或δ(r)％。
光纤区域的平均相对折射率(δave)由等式2确定：
其中r内是区域的内半径，r外是区域的外半径，并且δ(r)是区域的相对折射率。
术语“α-分布”是指相对折射率分布δ(r)，其具有在等式3中定义的函数形式：
其中ro是δ(r)最大处的径向位置，δ(r0)>0，rz>r0是δ(r)为零处的径向位置，r在ri≤r≤rf的范围内，其中ri是α-分布的初始径向位置，rf是α-分布的最终径向位置，并且α是实数。α-分布的δ(r0)在本文中可称为δmax，或者当指代光纤的特定区域i时，可称为δi,max。当光纤纤芯区域的相对折射率分布由其中r0出现在中心线(r＝0)并且rz对应于纤芯区域的外半径r1的α-分布描述时，等式3简化为等式3’：
光纤的“光学扩展量(etendue)”在等式4中定义为：
光学扩展量＝(πr12)(na)2等式4
其中r1是光纤的纤芯半径，na是光纤的数值孔径。
术语“模”指的是导模。单模光纤是设计成仅在光纤的显著长度(例如，至少数米)上支持基本lp01模的光纤，但是在某些情况下可以支持短距离(例如，数十厘米)上的多模。我们假设光纤的双折射足够低以便假设lp01模的两个正交偏振分量是简并的并且以相同的相速度传播。多模光纤是设计用于在光纤的显著长度上支持基本lp01模和至少一个高阶lpnm模的光纤，其中n≠0或m≠1。
耦合光纤的工作波长λ是耦合光纤工作的波长。工作波长对应于导模的波长。代表性的工作波长包括850nm、1064nm、1310nm和1550nm，它们通常用于电信系统和光学数据链，其包括本文所公开类型的耦合光纤。虽然可以为耦合光纤指定特定的工作波长，但是应当理解，特定的耦合光纤可以在多个工作波长下和/或连续的工作波长范围内工作。诸如模带宽和模场直径的特性可以随工作波长而变化，并且特定耦合光纤的相对折射率分布可以被设计为在特定工作波长下、工作波长的特定组合下或者特定的连续的工作波长范围内提供最佳性能。
光纤的“模场直径”或“mfd”在等式5中定义为：
mfd＝2w
等式5
其中f(r)是被引导的光信号的电场分布的横向分量，r是光纤中的径向位置。“模场直径”或“mfd”取决于光信号的波长，并且在本文中报告的波长为1310nm和1550nm。本文在参考模场直径时将指示具体的波长。除非另有说明，否则模场直径指的是指定波长下的lp01模。
可以使用以下等式基于互连光纤中的lp01模的光场幅度的重叠积分来估计两根光纤之间的接头损耗，
其中
该耦合光纤包括纤芯区域、围绕纤芯区域的包层区域和围绕包层区域的涂层。包层区域可以是单个均质区域，或者可以包括相对折射率不同的多个区域。多个包层区域可以是同心区域。包层区域可包括内包层区域和外包层区域。内包层区域的相对折射率可以小于外包层区域的相对折射率。包层还可包括凹陷折射率包层区域。凹陷折射率包层区域是具有比(多个)相邻的内包层区域和/或外包层区域低的相对折射率的包层区域。凹陷折射率包层区域在本文中也可称为沟槽或沟槽区域。凹陷折射率包层区域可以围绕内包层区域和/或可以被外包层区域围绕。凹陷折射率包层区域可以有助于减少弯曲损耗。
每当在本文中使用时，半径r1和相对折射率δ1(r)指的是纤芯区域，半径r2和相对折射率δ2(r)指的是内包层区域，半径r3和相对折射率δ3(r)指的是凹陷折射率包层区域，半径r4和相对折射率δ4(r)指的是外包层区域，并且半径r5是指涂层。半径r4和相对折射率δ4(r)也将用于指包括单个包层区域而不是多个包层区域的实施例中的包层区域。应当理解，中央纤芯区域的形状大致为圆柱形，并且周围的内包层、凹陷折射率包层、外包层区域和涂层的形状大致为环形。环形区域可以根据内半径和外半径来表征。径向位置r1、r2、r3、r4和r5在此分别指纤芯区域、内包层区域、凹陷折射率包层区域、外包层区域和涂层的最外半径。在具有单个包层区域而不是多个包层区域的实施例中，r4指的是该包层区域的最外半径。半径r5也对应于耦合光纤的外半径。
当两个区域彼此直接相邻时，两个区域中靠内侧的区域的外半径与两个区域中靠外侧的区域的内半径重合。在一个实施例中，例如，光纤包括由外包层区域围绕并与该外包层区域直接相邻的凹陷折射率包层区域。在这样的实施例中，半径r3对应于凹陷折射率包层区域的外半径和外包层区域的内半径。在相对折射率分布包括与内包层区域相邻的凹陷折射率包层区域的实施例中，径向位置r2对应于内包层区域的外半径和凹陷折射率包层区域的内半径。在相对折射率分布包括与纤芯直接相邻的凹陷折射率包层区域的实施例中，径向位置r1对应于纤芯的外半径和凹陷折射率包层区域的内半径。在具有与纤芯直接相邻的单个包层区域的实施例中，径向位置r1对应于纤芯的外半径和包层区域的内半径。
以下术语适用于其中相对折射率分布包括内包层区域的实施例。径向位置r2和径向位置r1之间的差在本文中可以称为内包层区域的厚度。径向位置r3和径向位置r2之间的差在本文中可以称为凹陷折射率包层区域的厚度。径向位置r4和径向位置r3之间的差在本文中可以称为外包层区域的厚度。径向位置r5和径向位置r4之间的差在本文中可以称为涂层的厚度。
以下术语适用于其中相对折射率分布缺少内包层区域的实施例。径向位置r3和径向位置r1之间的差在本文中可以称为凹陷折射率包层区域的厚度。径向位置r4和径向位置r3之间的差在本文中可以称为外包层区域的厚度。径向位置r5和径向位置r4之间的差在本文中可以称为涂层的厚度。
以下术语适用于其中相对折射率分布缺少内包层区域和凹陷折射率包层区域两者的实施例。径向位置r4和径向位置r1之间的差在本文中可以称为包层区域的厚度。径向位置r5和径向位置r4之间的差在本文中可以称为涂层的厚度。
如下文将进一步描述的，纤芯区域、内包层区域、凹陷折射率包层区域和外包层区域的相对折射率可以不同。区域中的每一个区域可以由石英玻璃或二氧化硅基玻璃形成。折射率的变化可以通过使用本领域技术人员已知的技术以被设计用于提供目标折射率或折射率分布的水平掺入上掺杂剂或下掺杂剂来实现。上掺杂剂是相对于未掺杂的玻璃组合物增加玻璃折射率的掺杂剂。下掺杂剂是相对于未掺杂的玻璃组合物降低玻璃折射率的掺杂剂。在一个实施例中，未掺杂的玻璃是纯石英玻璃。当未掺杂的玻璃是纯石英玻璃时，上掺杂剂包括cl、br、ge、al、p、ti、zr、nb和ta，并且下掺杂剂包括f和b。恒定折射率的区域可以通过不掺杂或通过以均匀浓度掺杂来形成。可以通过掺杂剂的非均匀空间分布来形成具有可变折射率的区域。
涂层由可固化涂层组合物形成。可固化涂层组合物包括一种或多种可固化组分。如本文所用的，术语“可固化”旨在表示当暴露于合适的固化能量源时，所述组分包括一种或多种能够形成共价键的可固化官能团，所述共价键参与将组分连接到其自身或其它组分以形成聚合物涂层材料(即，固化产物)。可以通过能量诱导固化过程。能量的形式包括辐射或热能。可辐射固化组分是当以足够长的时间暴露于合适强度合适波长的辐射下时，可以被诱导进行固化反应的组分。辐射固化反应可以在存在光引发剂时发生。可辐射固化组分可选地也可是可热固化的。类似地，可热固化组分是当以足够长的时间暴露于足够强度的热能时可以被诱导进行固化反应的组分。可辐射固化组分可选地也可是可热固化的。
可固化组分可以包括一个或多个可固化官能团。仅具有一个可固化官能团的可固化组分在本文中可称为单官能可固化组分。具有两个或更多个可固化官能团的可固化组分在本文中可称为多官能(multifunctional)可固化组分或多重官能(polyfunctional)可固化组分。多官能可固化组分包括在固化过程中能够形成共价键的两个或更多个官能团，并且能将交联(crosslinks)引入在固化过程中形成的聚合物网络中。多官能可固化组分在本文中也称为“交联剂”或“可固化交联剂”。在固化过程中参与共价键形成的官能团的示例在下文中被标识。
在以下的涂层组合物的描述中，将讨论该组合物的各种组分，并且该组合物中特定组分的量将依照重量百分比(wt％)或每百份份数(pph)来指定。涂层组合物的组分包括基础组分和添加剂。基础组分的浓度将按照wt％来表示，添加剂的浓度将按照pph来表示。
如本文所使用的，特定基础组分的重量百分比是指在不包括添加剂的基础上存在于组合物中的组分的量。无添加剂组合物仅包含基础组分，且在本文中可以称为基础组合物。存在于组合物中的任何(多种)交联剂组分、(多种)低聚物、(多种)稀释剂组分和(多种)聚合引发剂被单独地视为基础组分以及共同地被认为是基础组合物。基础组合物最少包括可辐射固化组分和聚合引发剂。可辐射固化组分可以是可辐射固化交联剂或可辐射固化稀释剂。然而，基础组合物可以包括一种或多种可辐射固化交联剂组分、一种或多种可辐射固化稀释剂组分、一种或多种非可辐射固化组分和一种或多种聚合引发剂。主要组合物中的基础组分的总量在本文中被认为等于100％重量。
添加剂是可选的，并且可以包括粘合促进剂、抗氧化剂、催化剂、载体或表面活性剂、增粘剂、稳定剂、uv吸收剂和光增白剂中的一种或多种。下文更详细地描述代表性的添加剂。在本文中，引入组合物中的添加剂的量以相对于基础组合物的每百份份数(pph)来表示。例如，如果将1g特定添加剂加入100g基础组合物中，则添加剂的浓度将在本文中表示为1pph。
本说明书提供了一种耦合光纤，其提高了传输光纤与芯片、光源和在用于光学数据处理和传输的系统中使用的检测器之间的耦合效率。耦合光纤是适用于耦合到单模光源和多模光源的多用途光纤。耦合光纤还提供高模带宽、低宏弯损耗和低微弯损耗。除了用于耦合之外，耦合光纤还适合用作传输光纤。
耦合光纤是多模光纤，其折射率分布被设计成使与光源、传输光纤和检测器的耦合效率最大化。特别感兴趣的是使用耦合光纤来实现传输光纤与基于芯片的光源和检测器的低损耗耦合，包括其中耦合光纤以紧密弯曲配置部署的应用。
图1图示可用于数据中心、高性能计算和其他应用中的数据传输的代表性光学数据链。光学数据链100包括发射器110、传输光纤120和接收器130。发射器110包括产生光信号的光源。光信号是体现、编码或以其他方式表示信息或数据的光。光源包括激光器和二极管。代表性的光源包括硅光子激光器和vcsel(垂直腔表面发射激光器)。来自这些光源的光信号以10gb/s或更高的线速率调制，例如25gb/s、28gb/s、50gb/s或56gb/s。在一个实施例中，发射器110被实现为芯片，诸如与硅光子技术平台兼容的硅芯片。发射器110还可以包括用于接收电信号并配置光源以产生对应于(多个)电信号的(多个)光信号的器件。
传输光纤120与发射器110互连，并接收由光源产生的光信号。传输光纤120可以直接从光源接收光信号。或者，光源可以耦合到波导(例如，片上波导)，并且波导可以耦合到传输光纤120。传输光纤120将光信号传递到接收器130。传输光纤120可以是单模光纤或多模光纤。在一个实施例中，传输光纤120是基于二氧化硅的光纤，其包括较高折射率的二氧化硅基纤芯和较低折射率的二氧化硅基包层。
接收器130从传输光纤120接收光信号。接收器130包括检测器，诸如光电检测器，其提供光信号的输出特性。检测器响应光信号的(多个)波长。检测器可以将光信号转换为电信号，该电信号具有与光信号成比例或以其他方式表征的电流或电压。在一个实施例中，接收器130被实现为芯片，诸如与硅光子技术平台兼容的硅芯片。接收器130可以直接从传输光纤120接收信号，或者经由波导(例如，片上波导)间接地从传输光纤120接收信号。
在图1所示的光学数据链中，发射器110产生光，传输光纤120可操作地连接到发射器110并接收由发射器110产生的光，并且接收器130可操作地连接到传输光纤120并接收来自传输光纤120的光。
为了成为可行的商业技术，光学数据链需要有效地生成、传送和检测光学信号。在发射器和传输光纤之间的接头处以及在传输光纤和接收器之间的接头处，光信号强度的损耗特别成问题。重要的考虑因素包括光源与传输光纤的有效耦合以及传输光纤与检测器的有效耦合。
本公开提供了一种耦合光纤，其有助于光信号从光源到传输光纤以及从传输光纤到检测器的有效传输。耦合光纤可以插入光源(或发射器)和传输光纤之间的连接处和/或传输光纤和检测器(或接收器)之间的连接处。图2示出一个实施例，其中耦合光纤插入每个接头处的光学数据链中。光学数据链150包括发射器110、传输光纤120、接收器130、耦合光纤140和耦合光纤145。耦合光纤140位于发射器110和传输光纤120之间，并促进来自发射器110的光源的光到传输光纤120的有效耦合。耦合光纤145位于传输光纤120和接收器130之间，并促进来自传输光纤120的光到接收器130的检测器的有效耦合。
在图2所示的光学数据链中，发射器110包括光源并产生光，耦合光纤140可操作地连接到发射器110。耦合光纤140接收由发射器110产生的光并将其传送到传输光纤120。传输光纤120可操作地连接到耦合光纤140，接收由耦合光纤140传送的光并将其传送到耦合光纤145。耦合光纤145可操作地连接到传输光纤120。耦合光纤145接收由传输光纤120传送的光并将其传送到接收器130。接收器130可操作地连接到耦合光纤145并接收由耦合光纤145传送的光。
图3中示出了耦合光纤的示意性横截面图。耦合光纤10包括纤芯区域20、包层区域30和涂层37。包层区域30包括内包层区域31、凹陷折射率包层区域33和外包层区域35。内包层区域31是可选的，并且可以省略，如图4中的光纤15所示。凹陷折射率包层区域33是可选的，并且可以省略，如图5中的光纤16所示。图6示出具有包层区域30的光纤，其省略了内包层区域31和凹陷折射率包层区域33。涂层37可以由单层组成或者可以包括两层或更多层。
在一个实施例中，耦合光纤包括由内包层区域围绕的纤芯、围绕内包层区域的凹陷折射率包层区域、围绕凹陷折射率包层区域的外包层区域、以及围绕外包层区域的涂层。内包层区域可以与纤芯直接相邻，凹陷折射率包层区域可以与内包层区域直接相邻，外包层区域可以与凹陷折射率包层区域直接相邻，并且涂层可以与外包层区域直接相邻。在另一个实施例中，耦合光纤缺少内包层区域，并且包括围绕纤芯的凹陷折射率包层区域、围绕凹陷折射率包层区域的外包层区域、以及围绕外包层区域的涂层。凹陷折射率包层区域可以与纤芯区域直接相邻，外包层区域可以与凹陷的折射率包层区域直接相邻，并且涂层可以与外包层区域直接相邻。在另一实施例中，耦合光纤缺少内包层区域和凹陷折射率包层区域，并且包括围绕纤芯的包层区域和围绕包层区域的涂层。包层区域可以与纤芯直接相邻，并且涂层可以与包层区域直接相邻。
图7中呈现了耦合光纤的玻璃部分(纤芯和包层区域)的代表性相对折射率分布。图7示出了用于耦合光纤40的矩形沟槽分布，其具有：具有外半径r1和相对折射率δ1的纤芯区域(1)；从径向位置r1延伸到径向位置r2并具有相对折射率δ2的内包层区域(2)；从径向位置r2延伸到径向位置r3并具有相对折射率δ3的凹陷折射率包层区域(3)；以及从径向位置r3延伸到径向位置r4并具有相对折射率δ4的外包层区域(4)。在图7的分布中，凹陷折射率包层区域(3)在本文中可称为沟槽，并且可具有恒定的折射率，该恒定的折射率小于内包层区域(2)和外包层区域(4)的折射率。纤芯区域(1)在分布中具有最高的相对折射率。纤芯区域(1)可以包括在中心线处或附近的低折射率区域(在本领域中称为“中心线下降”)(未示出)。应注意，内包层区域(2)是可选的，并且可以如上所述地被去除。当缺失内包层区域(2)时，凹陷折射率包层区域(3)与纤芯区域(1)直接相邻，如图8中的耦合光纤45所示。当缺失内包层区域(2)和凹陷折射率包层3时，包层区域(4)与纤芯区域(1)直接相邻，如图9中的耦合光纤50所示。
在图7-图9所示的实施例中，耦合光纤的纤芯区域具有由α-分布描述的相对折射率。α-分布的径向位置r0(对应于δ1max)可以对应于光纤的中心线(r＝0)或者光纤的中心线附近的径向位置，并且α-分布的径向位置rz可以对应于纤芯半径r1。
在图7中，从内包层区域(2)到凹陷折射率包层区域(3)的过渡区域42和从凹陷折射率包层区域(3)到外包层区域(4)的过渡区域44被示出为阶跃变化。应当理解，阶跃变化是理想化，并且过渡区域42和过渡区域44在实践中可以不是严格垂直的，如图7所指示。相反，过渡区域42和过渡区域44可以具有斜率或曲率。当过渡区域42和过渡区域44是非垂直的时，凹陷折射率包层区域(3)的内半径r2和外半径r3分别对应于过渡区域42和44的中点。中点对应于凹陷折射率包层区域(3)的深度47的一半。当过渡区域46和48倾斜或弯曲时，类似的解释适用于图9中所示的光纤45。
图7中所示的相对折射率分布中的相对折射率δ1、δ2、δ3和δ4的相对排序满足条件δ1max>δ4>δ3和δ1max>δ2>δ3。δ2和δ4的值可以相等或者其中一个可以大于另一个，但δ2和δ4都在δ1max和δ3之间。图6中所示的相对折射率分布中的相对折射率δ1、δ3和δ4的相对排序满足条件δ1max>δ4>δ3。
已经设计了耦合光纤的相对折射率分布以优化光学数据链中的耦合效率。现在描述与光学数据链中常用的光源、传输光纤和检测器的有效耦合相关的所选特性。在讨论了这些特性之后，给出用于耦合提供有效光学耦合的光纤的示例性相对折射率分布和参数。
单模vcsel(垂直腔表面发射激光器)和多模vcsel是用于硅光子学应用的有吸引力的光源。单模vcsel通常具有小于12°的全宽半最大(fwhm)光束发散角(na约为0.1)，光斑尺寸的直径在6-10μm范围内，并且光学扩展量为几平方微米。多模vcsel通常具有较高的光束发散角，na为约0.20)，光斑尺寸的直径在20-30μm范围内，光学扩展量为10μm2的量级。单模vcsel和多模vcsel的数值孔径和光斑尺寸分别与通用单模传输光纤和多模传输光纤很好地匹配，但耦合损耗主要取决于对准，并且vcsel阵列与多个单模光纤的精确对准是具有挑战性的。
硅光子收发器将来自单模激光器的激光耦合到非常小的波导中，在该波导内光被调制，然后经由光栅或镜子引导通过90°转向，使得光垂直地离开芯片的顶表面。硅光子波导的小尺寸导致更宽的fwhm光束发散角，数值孔径高达0.4，光斑尺寸的直径在4-10μm范围内，并且光学扩展量为几平方微米。与vcsel类似，硅光子激光器的光学参数与经受对准约束的与通用多模传输光纤的有效耦合一致。由于硅光子波导的高na，对角度未对准的灵敏度通常较高。
单模传输光纤通常在1310nm处具有～9μm的纤芯直径，并且在1310nm处具有0.12的数值孔径(na)。多模传输光纤通常具有～50μm的纤芯直径，0.20的数值孔径(na)和～75μm2的光学扩展量。
用于以25gb/s或更高速率操作的高速光学接收器通常包括ge光电二极管(p-i-n器件)，其通常具有用于接收25-35μm范围内的光的孔。当ge光电二极管在具有标准50μm多模传输光纤的光学数据链中实现时，ge光电二极管的孔径满溢就成为一个问题。满溢不仅导致高耦合损耗，还导致可能损坏光源的背反射。
该耦合光纤具有被设计用于有效耦合到通常包括在光学数据链中的光源、传输光纤和检测器的相对折射率分布。耦合光纤是具有高数值孔径(na)、在单模传输光纤和多模传输光纤的典型纤芯直径之间的纤芯直径、以及高模带宽的多模光纤。耦合光纤的模场直径(mfd)与单模传输光纤紧密匹配，以便最小化与单模光纤的耦合损耗，同时，耦合光纤的光学扩展量足够高以便有效地耦合到多模传输光纤。对单模光纤和多模光纤提供低损耗耦合的能力使得耦合光纤能够以单模或多模方式使用。耦合光纤的高光学扩展量和高数值孔径(na)确保了与单模vcsel、多模vcsels、单模硅光子激光器和多模硅光子激光器的有效耦合。耦合光纤的纤芯直径足够小，以便最小化高速ge光电检测器的孔的满溢。耦合光纤还具有高模带宽，这使其能够用作多模传输光纤。
耦合光纤的相对折射率分布可选地包括凹陷折射率包层区域。凹陷折射率包层区域可以有助于减少弯曲损耗，并且还可以通过减少不同模式组的时间延迟来促进高模带宽。具有凹陷折射率包层区域的相对折射率分布可以是图7和图8中所示的形式。
在一个实施例中，耦合光纤的纤芯的相对折射率由以下α-分布描述，其α值在1.8-3.0的范围内，或者在1.85-3.0的范围内，或者在1.85-2.5的范围内，或者在1.9-2.3的范围内，或者在1.95-2.2的范围内，或者在1.8-2.05的范围内，或者在1.85-2.05的范围内，或者在1.9-2.05的范围内，或者在1.95-2.05的范围内。纤芯的外半径r1可以在8μm-22μm的范围内，或者在10μm-20μm的范围内，或者在11μm-19μm的范围内，或者在12μm-18μm的范围内，或者在13μm-17μm的范围内，或者在18μm-22μm的范围内。
纤芯中的最大相对折射率δ1max可以在0.9％-2.8％的范围内，或者在1.2％-2.6％的范围内，或者在1.5％-2.4％的范围内，或者在1.6％-2.2％的范围内，或者在1.7％-2.1％的范围内，或者在1.8％-2.1％的范围内，或者在1.85％-2.05％的范围内，或者在0.8％-1.2％的范围内，或者在0.9％-1.1％的范围内。
在相对折射率分布包括凹陷折射率包层区域的实施例中，相对折射率δ3可以在-1.0％至-0.1％的范围内，或者在-0.8％至-0.1％的范围内，或者在-0.7％至-0.2％的范围内，或者在-0.6％至-0.2％的范围内，或者在-0.5％至-0.2％的范围内。
凹陷折射率包层区域的内半径r1(在凹陷折射率包层区域与纤芯直接相邻的实施例中)或r2(在凹陷折射率包层区域与内包层区域直接相邻的实施例中)可以在10μm-23μm的范围内，或者在10μm-20μm的范围内，或者在11μm-20μm的范围内，或者在12μm-19μm的范围内，或者在13μm-18μm的范围内，或者在14μm-17μm的范围内，或者在18μm-23μm的范围内。凹陷折射率包层区域的外半径r3可以在14μm-28μm的范围内，或者在14μm-24μm的范围内，或者在15μm-23μm的范围内，或者在16μm-22μm的范围内，或者在17μm-21μm的范围内，或者在18μm-20μm的范围内，或者在20μm-28μm的范围内。凹陷折射率包层区域的厚度r3-r2(在凹陷折射率包层区域与内包层区域直接相邻的实施例中)或r3-r1(在凹陷折射率包层区域与纤芯直接相邻的实施例中)可以在2μm-8μm范围内，或者在2μm-7μm范围内，或者在3μm-7μm范围内，或者在3μm-6μm范围内，或者在3μm-5μm范围内。
在相对折射率分布包括内包层区域的实施例中，相对折射率δ2可以在-0.2％至0.2％的范围内，或者在-0.15％至0.15％的范围内，或者在-0.1％至0.1％的范围内，或者在-0.05％至0.05％的范围内。内包层区域的厚度r2-r1可以在0.5μm-3.5μm的范围内，或者在0.7μm-2.0μm的范围内，或者在0.7μm-1.5μm的范围内。
外包层区域的相对折射率δ4可以在-0.2％至0.2％的范围内，或者在-0.15％至0.15％的范围内，或者在-0.1％至0.1％的范围内，或者在-0.05％至0.05％的范围内。外包层区域的外半径r4可以小于60μm，或者小于55μm，或者小于50μm，或者小于45μm，或者在35μm-60μm的范围内，或者在35μm-55μm的范围内，或者在35μm-50μm的范围内，或者在35μm-45μm的范围内。外包层区域的厚度r4-r3可以在10μm-50μm的范围内，或者在15μm-40μm的范围内，或者在15μm-30μm的范围内，或者在15μm-25μm的范围内。
该多功能光纤具有高数值孔径(na)。光纤的数值孔径可以大于0.18，或者大于0.20，或者大于0.22，或者大于0.24，或者大于0.26，或者在0.18-0.32的范围内，或者在0.20-0.32的范围内，或者在0.24-0.32的范围内，或者在0.18-0.24的范围内，或者在0.18-0.22的范围内。
耦合光纤的相对折射率分布的代表性示例1-示例14总结于表1a、表2a和表3a中。耦合光纤的示例1-示例14是多模光纤。表1a和表2a中给出的示例1-示例8被设计为在1310nm的工作波长下提供高带宽，并且表3a中给出的说明性示例9-示例14被设计为在1550nm的工作波长下提供高带宽。表1a还包括典型的单模传输光纤和对比耦合光纤的特性。对比耦合光纤是多模光纤，其数值孔径为0.28，纤芯直径为50m。
示例1-示例14基于类似于图8中所示的分布的相对折射率分布。示例1-示例14的相对折射率分布包括具有α-分布的纤芯区域、凹陷折射率包层区域和外包层区域。示例1-示例14的相对折射率分布与图8中所示的分布的不同之处在于，纤芯与凹陷折射率包层区域之间的过渡区域以及凹陷折射率包层区域与外包层区域之间的过渡区域是倾斜的。
表1a、表2a和表3a中包括以下相对折射率分布的建模特性：以％为单位表示的δ1max对应于纤芯区域中α-分布的相对折射率的最大值。对于示例1-示例14，δ1max发生在耦合光纤的中心线(r＝0)位置。以微米为单位表示的r1是纤芯区域的外径向位置。对于示例1-示例14，r1对应于纤芯α-分布的径向位置rz，此处δ＝0。α对应于纤芯的相对折射率分布的α值。以微米为单位表示的r1′对应于凹陷折射率包层区域的内半径。以微米为单位表示的r3对应于凹陷折射率包层区域的外半径。δ3是凹陷折射率包层区域的相对折射率。对于示例1-示例14，凹陷折射率包层区域在与纤芯区域和外包层区域的过渡区域之间具有近似恒定的相对折射率值。δ4是外包层区域的相对折射率，r4是外包层区域的外半径，并且在示例1-示例14的每一个示例中等于40.0μm，但是可以在不影响任何所公开的光学特性的情况下具有在35μm至62.5μm的范围内的任何值。
由于从纤芯区域到凹陷折射率包层区域的过渡区域是倾斜的，所以凹陷折射率包层区域的内半径r1′不同于纤芯区域的外半径r1。选择r1′作为对应于凹陷折射率包层区域的深度的一半的径向位置。类似地，凹陷折射率包层区域的外半径r3被选择为对应于凹陷折射率包层区域的深度的一半的径向位置。对于示例1-示例14，凹陷折射率包层区域的深度是δ3，并且对应于半深度的径向位置是对应于1/2δ3的径向位置。r1′是与纤芯区域相邻的半深度的位置，r3是与外包层区域相邻的半深度的位置。
图10描绘了表1a中描述的示例1和示例3的相对折射率分布。对于说明性示例1和示例3，从纤芯区域到凹陷折射率包层区域和从凹陷折射率包层区域到外包层区域的倾斜过渡区域是显而易见的。
表1b、表2b和表3b分别总结了具有表1a、表2a和、表3a中列出的相对折射率分布参数的光纤的建模性能特性。性能特性包括各种指示波长下的有效模带宽(emb)(以ghz-km为单位表示)、数值孔径(na)、在各种指示的波长下的lp01模的模场直径(mfd)(以微米为单位表示)、以及光学扩展量(以μm2为单位表示)。
表1a-说明性耦合光纤的相对折射率特性
表1b-说明性耦合光纤的性能特性
表2a-说明性耦合光纤的相对折射率特性
表2b-说明性耦合光纤的性能特性
表3a-说明性耦合光纤的相对折射率特性
表3b-说明性耦合光纤的性能特性
图11比较了具有表1a中所描述的相对折射率特性的示例1和单模传输光纤的1310nm处的lp01模的光场强度。耦合光纤和单模传输光纤的光场分布的紧密匹配指示耦合光纤和单模传输光纤之间的高效耦合是可能的。基于光场强度的重叠积分，这些说明性耦合光纤中的每一个与标准单模光纤之间的耦合损耗小于0.1db。耦合光纤和单模传输光纤之间的低耦合损耗的另一个指示是相当的模场直径，尽管这是必要非充分的条件。耦合光纤中的lp01模在1310nm处的模场直径可以在8.6μm和10.0μm之间，或者在8.8μm和9.6μm之间，或者在8.9μm和9.5μm之间，或者在9.0μm和9.4μm之间。耦合光纤中的lp01模在1550nm处的模场直径可以在9.6μm和11.0μm之间，或者在9.8μm和10.6μm之间，或者在9.9μm和10.5μm之间，或者在10.0μm和10.4μm之间。说明性耦合光纤的高光学扩展量进一步指示在说明性耦合光纤和标准多模传输光纤之间以及说明性耦合光纤和硅光子收发器之间的低耦合损耗的预期。
表1b、表2b和表3b中呈现的性能特性表明，说明性耦合光纤在1310nm(表1b和表2b)和1550nm(表3b)的目标操作波长下表现出高带宽。通过设计相对折射率分布来最小化在目标工作波长下不同模式组之间的相对时间延迟，从而获得高带宽。工作波长为1310nm或1550nm的高模带宽对于光学数据链是特别期望的，原因在于这两种波长对于二氧化硅基光纤中的光学信号传播的有利性。该耦合光纤的某些实施例在1310nm处的有效模带宽为至少1.5ghz-km，或者至少2ghz-km，或者至少3ghz-km，或者至少4ghz-km，或者至少8ghz-km，或者至少16ghz-km，或者在2ghz-km-40ghz-km范围内，或者在4ghz-km-30ghz-km范围内，或者在8ghz-km-20ghz-km的范围内。该耦合光纤的某些实施例在1550nm处的有效模带宽为至少1.5ghz-km，或者至少2ghz-km，或者至少3ghz-km，或者至少4ghz-km，或者至少8ghz-km，或者至少16ghz-km，或者在2ghz-km-40ghz-km范围内，或者在4ghz-km-30ghz-km范围内，或者在8ghz-km-20ghz-km的范围内。
尽管不希望受理论束缚，但据信在相对折射率分布中包含凹陷折射率包层区域以及特定于目标工作波长的相对折射率分布的特性的设计有助于目标工作波长下的高带宽。在该耦合光纤中观察到作为工作波长的函数的意外的高带宽。例如，表1b和表2b指示说明性耦合光纤(示例1-示例8)在1310nm下具有比在几个相似波长(1270nm、1290nm和1330nm)下高得多的带宽。然而，在跨1270nm至1330nm的波长范围内的带宽保持足够高以实现两个或更多个光信号的波分复用。跨1270nm至1330nm波长范围的该耦合光纤的某些实施例的最小有效模带宽是至少1ghz-km，或者至少2ghz-km，或者至少3ghz-km，或者至少4ghz-km，或者在1ghz-km-20ghz-km范围内，或者在1ghz-km-10ghz-km范围内，或者在2ghz-km-8ghz-km范围内。
表3b类似地示出说明性耦合光纤(示例9-示例14)在1550nm下具有比在相似波长(1530nm和1570nm)下高得多的带宽。然而，在跨1530nm至1570nm的波长范围内的带宽保持足够高以实现两个或更多个光信号的波分复用。跨1530nm至1570nm波长范围的该耦合光纤的某些实施例的最小有效模带宽是至少1ghz-km，或者至少2ghz-km，或者至少3ghz-km，或者至少4ghz-km，或者在1ghz-km-20ghz-km范围内，或者在1ghz-km-10ghz-km范围内，或者在2ghz-km-8ghz-km范围内。
在某些实施例中，还应注意，可以在具有高光学扩展量的耦合光纤中实现上述带宽性能规范中的一个或更多个。耦合光纤的光学扩展量可以是至少40μm2，或者至少50μm2，或者至少60μm2，或者至少70μm2，或者在40μm2和80μm2之间，或者在50μm2和80μm2之间，或者在50μm2和75μm2之间，或者在55μm2和80μm2之间。
示例15-示例30图示具有渐变折射率纤芯分布的光纤，其与标准单模光纤模式匹配。示例15-示例30的相对折射率分布具有图9中所示的类型，并且包括具有α-分布的纤芯区域和包层区域。示例15-示例22提供在1310nm处大于4ghz-km的模和满溢带宽。示例23-示例26提供在850nm处大于4ghz-km的模和满溢带宽。示例27-示例30提供在850nm和1310nm处大于0.5ghz-km的模和满溢带宽。
表4a、表5a和表6a中包括示例15-示例30的相对折射率分布的建模特性：以％为单位表示的δ1max对应于纤芯区域中α-分布的相对折射率的最大值。对于示例15-示例30，δ1max发生在耦合光纤的中心线(r＝0)位置。以微米为单位表示的r1是纤芯区域的外径向位置。对于示例15-示例30，r1对应于纤芯α-分布的径向位置rz，此处δ＝0。α对应于纤芯的相对折射率分布的α值。δ4是包层区域的相对折射率，r4是包层区域的外半径。在示例15-示例30的每一个示例中，r4等于40.0μm。
表4b、表5b和表6b分别总结了具有表4a、表5a和、表6a中列出的相对折射率分布参数的光纤的建模性能特性。性能特性包括各种指示波长下的有效模带宽(emb)(以ghz-km为单位表示)以及在各种指示的波长下的lp01模的模场直径(mfd)(以微米为单位表示)。
表4a-说明性耦合光纤的相对折射率特性
表4b-说明性耦合光纤的性能特性
表5a-说明性耦合光纤的相对折射率特性
表5b-说明性耦合光纤的性能特性
表6a-说明性耦合光纤的相对折射率特性
表6b-说明性耦合光纤的性能特性
示例31-示例36是制造的光纤样品，其具有与示例1-示例30所描述的特性相似的特性。示例31的测量到的相对折射率分布示于图12中。示例32和示例33具有相似的相对折射率分布。示例35的测量到的相对折射率分布示于图13中。示例34和示例36具有与示例35类似的相对折射率分布。
表7a中包括示例31-示例33的相对折射率分布的测量到的特性：以％为单位表示的δ1max对应于纤芯区域中α-分布的相对折射率的最大值。对于示例31-示例33，δ1max发生在耦合光纤的中心线(r＝0)位置。以微米为单位表示的r1是纤芯区域的外径向位置。对于示例31-示例33，r1对应于纤芯α-分布的径向位置rz，此处δ＝0。α对应于纤芯的相对折射率分布的α值。δ4是包层区域的相对折射率，r4是包层区域的外半径。在示例31-示例33的每一个示例中，r4等于40.0μm。
表7b总结了具有表7a中列出的相对折射率分布参数的光纤的测量到的性能特性。性能特性包括在1310nm和1550nm处的otdr(光时域反射测量)测量(以db/km为单位表示)、以及在850nm和1300nm处的满溢带宽(oflbw)测量(以mhz-km为单位表示)。
表7a-说明性耦合光纤的相对折射率特性
表7b-说明性耦合光纤的性能特性
表8a中包括示例34-示例36的测量到的相对折射率特性：以％为单位表示的δ1max对应于纤芯区域中α-分布的相对折射率的最大值。对于示例34-示例36，δ1max发生在耦合光纤的中心线(r＝0)位置。以微米为单位表示的r1是纤芯区域的外径向位置。对于示例34-示例36，r1对应于纤芯α-分布的径向位置rz，此处δ＝0。α对应于纤芯的相对折射率分布的α值。以微米为单位表示的r1′对应于凹陷折射率包层区域的内半径。以微米为单位表示的r3对应于凹陷折射率包层区域的外半径。δ3是凹陷折射率包层区域的相对折射率。对于示例34-示例36，凹陷折射率包层区域在与纤芯区域和外包层区域的过渡区域之间具有近似恒定的相对折射率值。δ4是外包层区域的相对折射率，r4是外包层区域的外半径，并且在示例34-示例36的每一个示例中，r4等于40.0μm。
由于从纤芯区域到凹陷折射率包层区域的过渡区域是倾斜的，所以凹陷折射率包层区域的内半径r1′不同于纤芯区域的外半径r1。选择r1′作为对应于凹陷折射率包层区域的深度的一半的径向位置。类似地，凹陷折射率包层区域的外半径r3被选择为对应于凹陷折射率包层区域的深度的一半的径向位置。对于示例34-示例36，凹陷折射率包层区域的深度是δ3，并且对应于半深度的径向位置是对应于1/2δ3的径向位置。r1′是与纤芯区域相邻的半深度的位置，r3是与外包层区域相邻的半深度的位置。
表8b总结了具有表8a中列出的相对折射率分布参数的光纤的测量到的性能特性。性能特性包括在1310nm和1550nm处的otdr(光时域反射测量)测量(以db/km为单位表示)、以及在850nm和1300nm处的满溢带宽(oflbw)测量(以mhz-km为单位表示)。
表8a-说明性耦合光纤的相对折射率特性
表8b-说明性耦合光纤的性能特性
表9a中包括示例37-示例38的测量到的相对折射率特性：δ以％为单位表示的δ1max对应于纤芯区域中α-分布的相对折射率的最大值。对于示例37-示例38，δ1max发生在耦合光纤的中心线(r＝0)位置。以微米为单位表示的r1是纤芯区域的外径向位置。对于示例37-示例38，r1对应于纤芯α-分布的径向位置rz，此处δ＝0。α对应于纤芯的相对折射率分布的α值。δ4是外包层区域的相对折射率，r4是外包层区域的外半径，并且在示例37-示例38的每一个示例中，r4等于39.0μm。
表9b总结了具有表9a中列出的相对折射率分布参数的光纤的测量到的性能特性。性能特性包括在1310nm和1550nm处的otdr(光时域反射测量)测量(以db/km为单位表示)、以及在850nm和1300nm处的满溢带宽(oflbw)测量(以mhz-km为单位表示)。
表9a-说明性耦合光纤的相对折射率特性
表9b-说明性耦合光纤的性能特性
表10b总结了具有表10a中列出的相对折射率分布参数的光纤的建模性能特性。性能特性包括各种指示波长下的有效模带宽(emb)(以ghz-km为单位表示)以及在各种指示的波长下的lp01模的模场直径(mfd)(以微米为单位表示)。
表10a-说明性耦合光纤的相对折射率特性
表10b-说明性耦合光纤的性能特性
耦合光纤可包括由单层组成的涂层或者包括围绕外包层区域的两层或更多层的涂层。选择涂层以使微弯损失最小化和/或为耦合光纤提供机械完整性。涂层或层由可固化涂层组合物制备。
在一个实施例中，涂层包括低模量层和高模量层，其中高模量层围绕低模量层，低模量层围绕外包层区域。低模量层在本文中可称为主层或主涂层。高模量层在本文中可称为副层或副涂层。
涂层可以与外包层区域直接相邻，并且可以从外包层区域的外半径r4延伸到外半径r5。涂层的外半径r5可以小于110μm，或者小于100μm，或者小于90μm，或者小于80μm，或者在60μm-110μm的范围内，或者在65μm-100μm的范围内，或者在65μm-95μm的范围内，或者在65μm-90μm的范围内，或者在70μm-95μm的范围内。涂层的厚度可以小于60μm，或者小于55μm，或者小于50μm，或者小于45μm，或者在20μm-60μm的范围内，或者在25μm-50μm的范围内，或者在25μm-45μm的范围内，或者在30μm-45μm的范围内。
在一个实施例中，涂层是具有外半径r5的单层。在另一个实施例中，包覆包括主层和副层，其中副层围绕主层并具有外半径r5，并且其中主层围绕外包层区域并且具有在r4和r5之间的外半径r5′。在另一个实施例中，涂层包括三层或更多层，其最外层具有外半径r5。半径r5也对应于耦合光纤的外半径。
在涂层是单层的实施例中，涂层具有高模量。在涂层包括主层和副层的实施例中，副层可具有对应于单层涂层实施例的性质和组成。如本文所用，模量是指杨氏模量。对于高模量单层涂层和双层涂层的高模量副层，本文报告了根据以下描述的配置为固化棒的涂层或层的杨氏模量：通过将可固化组合物的样品注入内径为约0.022"的
当配置为具有约0.022″的直径的固化棒时，涂层或副层的杨氏模量为至少约1200mpa，或者至少约1300mpa，或者至少约1400mpa，或者至少约1500mpa，或者至少约1600mpa，或者至少约1700mpa，或者至少约1800mpa。当被配置为具有约0.022″的直径的固化棒时，涂层或副层的断裂伸长率为至少约30％，优选为至少约40％。当被配置为具有约0.022″的直径的固化棒时，涂层或副层的平均拉伸强度为至少约45mpa，更优选为至少约50mpa或55mpa，最优选为至少约60mpa。当被配置为具有约0.022″的直径的固化棒时，涂层或副层的玻璃化转变温度(tg)优选为在约50℃和约120℃之间，更优选为在约50℃和约100℃之间。
用于形成涂层或副层的可固化组合物优选是可固化液体组合物或可辐射固化的液体组合物。可辐射固化的组合物可包括一种或多种单体、一种或多种低聚物、和一种或多种光引发剂。可辐射固化的组合物还可任选地包括添加剂，诸如抗氧化剂、荧光增白剂、(多种)催化剂、载体或表面活性剂、以及稳定剂。
可辐射固化的组合物可以缺少低聚物。尽管不是必需的，但当组合物不含低聚物组分时，优选单体组分是两种或更多种单体的组合。
优选地，可辐射固化组合物的单体组分包括(多种)烯键式不饱和单体。虽然单体组分可以以50wt％或更多的量存在，但其优选以约75wt％至约99.2wt％，更优选为约80wt％至约99wt％，最优选为约85wt％至约98wt％的量存在。
在一个实施例中，可辐射固化组合物包含一种或多种烯键式不饱和单体。烯键式不饱和单体可含有各种官能团，使得烯键式不饱和单体在固化时能够交联。烯键式不饱和单体优选是多重官能的(即，各自含有两个或更多个官能团)，尽管单官能单体也可以引入组合物中。因此，烯键式不饱和单体可以是多重官能单体、单官能单体、以及它们的混合物。用于根据本发明的烯键式不饱和单体的合适官能团包括但不限于丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、n-乙烯基酰胺、苯乙烯、乙烯基醚、乙烯基酯、酸酯及其组合(即，用于多重官能单体)。
用于可辐射固化组合物的合适的多重官能烯键式不饱和单体包括但不限于：烷氧基化双酚a二丙烯酸酯，诸如：乙氧基化双酚a二丙烯酸酯，其乙氧基化为2或更高，优选为2至约30(例如可获自萨托默(sartomer)公司(宾夕法尼亚州西切斯特)的sr349和sr601以及可获自igm树脂(igmresins)公司(北卡罗来纳州夏洛特)的photomer4025和photomer4028)；以及丙氧基化双酚a二丙烯酸酯，其丙氧基化为2或更高，优选为2至约30；具有和不具有烷氧基化的羟甲基丙烷聚丙烯酸酯，诸如：乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，其乙氧基化为3或更高，优选为3至约30(例如，可获自igm树脂公司的photomer4149以及和可获自萨托默公司的sr499)；丙氧基化-三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，其丙氧基化为3或更高，优选为3至30(例如，科宁公司(cogniscorp)的photomer4072和萨托默公司的sr492)；和双三羟甲基丙烷四丙烯酸酯(例如，igm树脂公司的photomer4355)；烷氧基化的甘油基三丙烯酸酯，诸如丙氧基化的甘油基三丙烯酸酯，其丙氧基化为3或更高(例如，igm树脂公司的photomer4096和萨托默公司的sr9020)；具有和不具有烷氧基化的赤藓糖醇聚丙烯酸酯，诸如：季戊四醇四丙烯酸酯(例如，可获自萨托默公司(宾夕法尼亚州西切斯特)的sr295)、乙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯(例如，萨托默公司的sr494)；以及二季戊四醇五丙烯酸酯(例如，igm树脂公司的photomer4399和萨托默公司的sr399)；通过使适当的官能异氰脲酸酯与丙烯酸或丙烯酰氯反应形成的异氰脲酸酯聚丙烯酸酯，诸如三-(2-羟乙基)异氰脲酸酯三丙烯酸酯(例如，萨托默公司的sr368)和三-(2-羟乙基)异氰脲酸酯二丙烯酸酯；具有和不具有烷氧基化的醇聚丙烯酸酯，诸如三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯(例如萨托默公司的cd406)和乙氧基化聚乙二醇二丙烯酸酯，其乙氧基化为2或更高，优选为约2至30；通过将丙烯酸酯加入到双酚a二缩水甘油醚(4上)等中形成的环氧丙烯酸酯(例如，igm树脂公司的photomer3016)；以及单环和多环环状芳族或非芳族聚丙烯酸酯，诸如二环戊二烯二丙烯酸酯和二环戊烷二丙烯酸酯。
还可能需要使用一定量的单官能烯键式不饱和单体，其可被引入以影响固化产物吸水、粘附于其他涂层材料、或者在应力下表现的程度。示例性的单官能烯键式不饱和单体包括但不限于：丙烯酸羟烷基酯，诸如2-羟乙基丙烯酸酯、2-羟丙基丙烯酸酯和2-羟丁基丙烯酸酯；长链和短链丙烯酸烷基酯，诸如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸异丙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸戊酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸戊酯、丙烯酸异戊酯、丙烯酸己酯、丙烯酸庚酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸壬酯、丙烯酸癸酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸十一烷酯、丙烯酸十二烷酯、丙烯酸月桂酯、丙烯酸十八烷酯、和丙烯酸十八酯；丙烯酸氨基烷基酯，诸如丙烯酸二甲基氨基乙酯、丙烯酸二乙基氨基乙酯、和丙烯酸7-氨基-3,7-二甲基辛酯；丙烯酸烷氧基烷基酯，诸如丙烯酸丁氧基乙酯、丙烯酸苯氧基乙酯(例如，萨托默公司的sr339)、和丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯；单环和多环环状芳族或非芳族丙烯酸酯，诸如丙烯酸环己酯、丙烯酸苄酯、丙烯酸二环戊二烯、丙烯酸二环戊酯、丙烯酸三环癸酯、丙烯酸异戊酯、丙烯酸异冰片酯(例如，萨托默公司的sr423)、四氢呋喃基丙烯酸酯(例如，萨托默公司的sr285)、丙烯酸己内酯(例如，萨托默公司的sr495)、和丙烯酰基吗啉；醇基丙烯酸酯，诸如聚乙二醇单丙烯酸酯、聚丙二醇单丙烯酸酯、甲氧基乙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚丙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、乙氧基二甘醇丙烯酸酯、和各种烷氧基化烷基酚丙烯酸酯(诸如乙氧基化(4)壬基酚丙烯酸酯(例如，igm树脂公司的photomer4003))；丙烯酰胺，诸如双丙酮丙烯酰胺、异丁氧基甲基丙烯酰胺、n，n'-二甲基-氨基丙基丙烯酰胺、n，n-二甲基丙烯酰胺、n，n-二乙基丙烯酰胺、和叔辛基丙烯酰胺；乙烯基化合物，诸如n-乙烯基吡咯烷酮和n-乙烯基己内酰胺；以及酸酯，诸如马来酸酯和富马酸酯。关于上面列出的长链和短链丙烯酸烷基酯，丙烯酸短链烷基酯是具有6个或更少碳的烷基，并且长链烷基丙烯酸酯是具有7个或更多个碳的烷基。
可辐射固化组合物的任选低聚组分可包括单一低聚物或两种或更多种低聚物的组合。一种或多种任选的低聚物可包括一种或多种单官能低聚物、一种或多种多重官能低聚物、或其组合。优选的(多种)低聚物包括(多种)烯键式不饱和低聚物。任选的低聚物包括脂族和芳族氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯低聚物、脲(甲基)丙烯酸酯低聚物、聚酯和聚醚(甲基)丙烯酸酯低聚物、丙烯酸酯化丙烯酸低聚物、聚丁二烯(甲基)丙烯酸酯低聚物、聚碳酸酯(甲基)丙烯酸酯低聚物、和三聚氰胺(甲基)丙烯酸酯低聚物。
可辐射固化的组合物包括聚合引发剂。聚合引发剂是适合于在将组合物施加到玻璃光纤上后引起聚合(即固化)的试剂。适用于可辐射固化组合物的聚合引发剂包括热引发剂、化学引发剂、电子束引发剂和光引发剂。光引发剂是优选的聚合引发剂。对于大多数丙烯酸酯基涂层配方，优选常规光引发剂，诸如已知的酮光引发剂和/或氧化膦光引发剂。光引发剂是反应性组分并经历反应、重排或分解以便提供能够与涂层组合物的可固化组分引发光反应的化学物质(例如自由基)。当用于本发明的可辐射固化组合物中时，光引发剂以足以提供快速的紫外线固化的量存在。可辐射固化的组合物可包括一种或多种光引发剂。(多种)光引发剂的浓度可以为约0.25wt％至约10.0wt％之间，或者约0.5wt％至7.5wt％之间，或者约0.75wt％至5.0wt％之间。
合适的光引发剂包括但不限于1-羟基环己基-苯基酮(例如可获自巴斯夫公司(basf)的irgacure184)、(2,6-二甲氧基苯甲酰基)-2,4,4-三甲基戊基氧化膦(例如可获自巴斯夫公司的商业共混物irgacure1800、irgacure1850和irgacure1700)、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(例如可获自巴斯夫公司的irgacure651)、双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)苯基-氧化膦(例如可获自巴斯夫公司的irgacure819)、(2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦(例如可获自巴斯夫公司(德国慕尼黑)的lucirintpo)、乙氧基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)苯基氧化膦(例如可获自巴斯夫公司的lucirintpo-l)、及其组合。
可辐射固化的组合物还可任选地包括一种或多种添加剂。一种或多种添加剂任选地包括粘合促进剂、抗氧化剂、催化剂、载体或表面活性剂、增粘剂、稳定剂、荧光增白剂或uv吸收剂。一些添加剂(例如，催化剂、反应性表面活性剂和荧光增白剂)可操作以用于控制聚合过程，从而可影响由涂层组合物形成的固化产物的物理性质(例如，模量、玻璃化转变温度)。其他添加剂可以影响涂层组合物的固化产物的完整性(例如，防止uv诱导的固化或氧化降解)。
粘合促进剂增强涂层与下面的玻璃光纤的粘合性。合适的粘合促进剂的示例包括但不限于有机官能硅烷、钛酸盐、锆酸盐及其混合物。优选的一类是聚(烷氧基)硅烷。合适的替代粘合促进剂包括但不限于双(三甲氧基甲硅烷基乙基)-苯、3-巯基丙基三甲氧基-硅烷(可获自联合化学技术公司(unitedchemicaltechnologies)(宾夕法尼亚州布里斯托尔)的3-mptms；也可获自gelest公司(宾夕法尼亚州莫里斯维尔))、3-丙烯酰氧基丙基-三甲氧基硅烷(可获自gelest公司)、和3-甲基丙烯酰氧基丙基-三甲氧基硅烷(可获自gelest公司)、和双(三甲氧基甲硅烷基乙基)苯(可获自gelest公司)。其他粘合促进剂描述于lee等人的美国专利第4,921,880号和5,188,864号，其中的每一篇专利都通过引用并入本文。如果存在，粘合促进剂的用量为约0.1pph至约10pph，更优选为约0.25pph至约3pph。
合适的抗氧化剂包括但不限于双受阻酚硫化物或硫代二亚乙基双(3,5-二叔丁基)-4-羟基氢化肉桂酸酯(例如可获自巴斯夫公司的irganox1035)、2,6-二-叔-丁基-4-甲基苯酚(bht)和mehq(单甲醚氢醌)。如果存在，抗氧化剂的用量为约0.1pph至约3pph，更优选为约0.25pph至约2pph。
示例性催化剂是锡催化剂，诸如二月桂酸二丁基锡，其用于催化一些不可辐射固化的组分中氨基甲酸酯键的形成。无论催化剂作为不可辐射固化组分的添加剂还是额外量的催化剂被引入组合物中，催化剂的存在可以起到稳定组合物中的不可辐射固化组分的作用。可以通过添加四硫醇来抵消过量锡催化剂使硅烷粘合促进剂不稳定的任何趋势。
合适的载体，更具体而言起反应性表面活性剂作用的载体包括聚烷氧基聚硅氧烷。示例性的优选载体可以购自goldschmidt化学公司(弗吉尼亚州霍普韦尔)，商品名为tegorad2200和tegorad2700(丙烯酸酯化的硅氧烷)。这些反应性表面活性剂可以优选的量存在，该优选的量为约0.01pph至约5pph，更优选约为0.25pph至约3pph。其他类型的合适载体是多元醇和非反应性表面活性剂。合适的多元醇和非反应性表面活性剂的示例包括但不限于可获自拜耳公司(bayer)(宾夕法尼亚州新城广场)的多元醇acclaim3201(聚(环氧乙烷-共-环氧丙烷))和可获自非goldschmidt化学公司的反应性表面活性剂tegoglide435(聚烷氧基-聚硅氧烷)。多元醇或非反应性表面活性剂可以以优选的量存在，该优选的量为约0.01pph至约10pph，更优选为约0.05pph至约5pph，最优选为约0.1pph至约2.5pph。
合适的稳定剂包括四官能硫醇，例如来自西格玛奥德里奇公司(sigma-aldrich)(密苏里州圣路易斯)的季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)。如果存在，稳定剂的用量为约0.01pph至约1pph，更优选为约0.01pph至约0.2pph。
示例性荧光增白剂包括但不限于uvitexob、2,5-噻吩二基双(5-叔丁基-1,3-苯并恶唑)(巴斯夫公司)；可获自拜耳公司的blankophorkla；双苯并恶唑化合物；苯基香豆素化合物；以及双(苯乙烯基)联苯化合物。荧光增白剂理想地以约0.003pph至约0.5pph、更优选约0.005pph至约0.3pph的浓度存在于组合物中。
涂层或副层还可包括颜料。颜料提供允许识别光纤的着色。当多根光纤被配置为束时，单根光纤的明确识别是重要的。例如，用于增加数据传输的常见策略是将多跟光纤捆绑在线缆中。为了增加数据传输，期望最大化捆绑在线缆中的光纤的数量。在使用和安装线缆期间，通常需要将多个线缆连接在一起以增加线缆长度从而满足应用的需要。由于束中的每个光纤专用于不同的数据信道，因此有必要识别束中的各个光纤以确保在连接线缆时数据信道的正确连接。通过最外涂层的着色来标记具有不同颜色的光纤是用于唯一识别光纤的一种策略。标准颜料颜色包括蓝色、橙色、绿色、棕色，深灰色、白色、红色、黑色、黄色、紫色、玫瑰色和浅绿色。
各种颜色的颜料是本领域已知的并且可从商业来源获得。例如，penncolor公司(宾夕法尼亚州多伊尔斯敦)提供可以包含在可辐射固化或副层组合物中的可能量固化的颜料分散体。分散体包括有色颗粒在可固化液体悬浮介质中的悬浮液。可能量固化的分散体可在合适波长(例如uv波长)的光的激发下固化。有色颗粒基于tio2和设计用于提供各种颜色的其他金属氧化物或添加剂。可固化液体悬浮介质包括丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯和溶剂。各种颜色的分散体的产品编号如下：白色分散体(9w892)、黑色分散体(9b385)、蓝色分散体(9s959d)、黄色分散体(9y1107)、绿色分散体(9g944d)、红色分散体(9r925)、紫色分散体(9s949d)和橙色分散体(9y804))。
在某些实施例中，涂层可包括与副层组合的主层。主层可以是主层组合物的固化产物，其包括可固化的交联剂、可固化的稀释剂和聚合引发剂。主层组合物可包括一种或多种可固化的交联剂、一种或多种可固化的稀释剂、一种或多种不可辐射固化的增强剂、和/或一种或多种聚合引发剂。在一个实施例中，可固化交联剂基本上不含氨基甲酸酯和脲官能团。
在一个实施例中，可固化交联剂是主层组合物的可辐射固化组分，因此它包括能够参与共聚物键合或交联剂交联到聚合物涂层中的两种或多种官能团。能够参与交联的示例性官能团包括-不饱和酯、酰胺、酰亚胺或乙烯基醚基团。
在一个实施例中，可固化交联剂基本上不含氨基甲酸酯和脲官能团。可固化交联剂也可以基本上不含硫代氨基甲酸乙酯或硫代脲基团。通过“基本上不含”，优选小于1重量％的可固化交联剂组分包括(硫代)氨基甲酸乙酯或(硫代)脲基团。在优选的实施例中，小于0.5重量％的总可固化交联剂组分包括(硫代)氨基甲酸乙酯或(硫代)脲基团。在一个优选的实施例中，可固化交联剂组分完全不含(硫代)氨基甲酸乙酯和(硫代)脲基团。
当标识诸如氨基甲酸酯和硫代氨基甲酸酯基团、或脲和硫脲基团、或异氰酸酯或硫代异氰酸酯基团之类的某些基团时，这些基团可以在本文中一般被标识为(硫代)氨基甲酸酯、(硫代)脲、或(硫代)异氰酸酯或二(硫代)异氰酸酯以表示硫原子可存在于或不存在于基团中。这样的基团在本文中可以称为(硫代)基团，并且含有(硫代)基团的组分在本文中可以称为(硫代)组分。本发明的实施例延伸到主层涂层组合物以及组合物，所述主层涂层组合物包括在(硫代)官能团中含有硫原子或不含硫原子的(硫代)组分，所述组合物包括含有硫原子的一些(硫代)组分和不含硫原子的一些(硫代)组分。
在一些实施例中，可固化交联剂组分包括一种或多种多元醇，其包含两个或多个-不饱和酯、酰胺、酰亚胺或乙烯基醚基团或它们的组合。此类多元醇交联剂的示例性类别包括但不限于包含超过一种丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、马来酸酯、富马酸酯、丙烯酰胺、马来酰亚胺或乙烯基醚组的多元醇丙烯酸酯、多元醇甲基丙烯酸酯、多元醇马来酸酯、多元醇富马酸酯、多元醇丙烯酰胺、多元醇马来酰亚胺或多元醇乙烯基醚。可固化交联剂的多元醇部分可以是聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇或烃多元醇。
可固化交联剂组分的分子量优选地具有在约150g/摩尔至约15000g/摩尔之间，在一些实施例中优选为在约200g/摩尔至约9000g/摩尔之间，在一些实施例中优选为在约1000g/摩尔至约5000g/摩尔之间，在其它实施例中优选在约200g/摩尔至约1000g/摩尔之间。可固化交联剂的分子量还可以在100g/摩尔至3000g/摩尔范围内，或者在150g/摩尔至2500g/摩尔范围内，或者在200g/摩尔至2000g/摩尔范围内，或者在500g/摩尔至1500g/摩尔的范围内。
可固化交联剂组分在可辐射固化组合物中以约1wt％至约20wt％的量存在，或以约2wt％至约15wt％的量存在，或以约3wt％至约10wt％的量存在。
可固化的稀释剂是通常较低的分子量(例如约120至600g/摩尔)的液体单体，其被添加到制剂中以控制粘度从而提供用常规液体涂布设备涂敷主层组合物所需的流动性。可固化的稀释剂包含至少一种官能团，其在固化过程中激活时允许将稀释剂从可固化交联剂和其它可固化组分连接至在固化过程中形成的聚合物。可存在于可固化稀释剂中的官能团包括但不限于丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、马来酸酯、富马酸酯、马来酰亚胺、乙烯基醚和丙烯酰胺基团。
单官能稀释剂将仅包含单个反应性(可固化的)官能团，而多重官能稀释剂将包含两个或多个反应性(可固化的)官能团。尽管前者可以在固化期间连接到聚合物网络，但是后者可以在聚合物网络内形成交联。
合适的多重官能烯键式不饱和单体稀释剂包括但不限于：具有和不具有烷氧基化的羟甲基丙烷聚丙烯酸酯，诸如：乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，其乙氧基化度为3或更高，优选为3至约30(例如可获自igm树脂公司的photomer4149；和可获自萨托默公司的sr499)；丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，丙氧基化度为3或更高，优选为3至30(例如可获自igm树脂公司的photomer4072；和可获自萨托默公司的sr492和sr501)；以及双三羟甲基丙烷四丙烯酸酯(例如可获自igm树脂公司的photomer4355)；烷氧基化的甘油基三丙烯酸酯，诸如丙氧基化的甘油基三丙烯酸酯，其丙氧基化度为3或更高(例如，可获自igm树脂公司的photomer4096；和可获自萨托默公司的sr9020)；具有和不具有烷氧基化的赤藓糖醇聚丙烯酸酯，诸如：季戊四醇四丙烯酸酯(例如，可获自萨托默公司的sr295)、乙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯(例如，可获自萨托默公司的sr494)；以及二季戊四醇五丙烯酸酯(例如，可获自igm树脂公司的photomer4399；和可获自萨托默公司的sr399)；通过使适当的官能异氰脲酸酯与丙烯酸或丙烯酰氯反应形成的异氰脲酸酯聚丙烯酸酯，诸如三-(2-羟乙基)异氰脲酸酯三丙烯酸酯(例如，可获自萨托默公司的sr368)和三-(2-羟乙基)异氰脲酸酯二丙烯酸酯；具有和不具有烷氧基化的醇聚丙烯酸酯，诸如：三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯(例如可获自萨托默公司的cd406)；烷氧基化己二醇二丙烯酸酯(例如可获自萨托默公司的cd564)；三丙二醇二丙烯酸酯(例如可获自萨托默公司的sr306)和乙氧基化聚乙二醇二丙烯酸酯，乙氧基化度为2或更高，优选为约2至30；通过将丙烯酸酯加入到双酚a二缩水甘油醚等中形成的环氧丙烯酸酯(例如，可获自igm树脂公司的photomer3016)；以及单环和多环环状芳族或非芳族聚丙烯酸酯，诸如二环戊二烯二丙烯酸酯。
多官能可辐射固化单体可以以0.05wt％-15wt％、或0.1wt％-10wt％、或0.5wt％-10wt％、或1wt％-5wt％、或1wt％-10wt％、或1wt％-20wt％、或1wt％-50wt％、或2wt％-8wt％、或5wt％-40wt％、或10wt％-30％、或20wt％-30wt％的浓度存在于主层涂层组合物中。
还可能需要使用一定量的单官能烯键式不饱和单体稀释剂，其可被引入以影响固化产物吸水、粘附于其他涂层材料、或者在应力下表现的程度。示例性的单官能烯键式不饱和单体稀释剂包括但不限于：丙烯酸羟烷基酯，诸如2-羟乙基丙烯酸酯、2-羟丙基丙烯酸酯和2-羟丁基丙烯酸酯；长链和短链丙烯酸烷基酯，诸如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸异丙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸戊酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸戊酯、丙烯酸异戊酯、丙烯酸己酯、丙烯酸庚酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸异辛酯(例如可获自萨托默公司的sr440和可获自cps化学公司的ageflexfa8)；丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸壬酯、丙烯酸癸酯、丙烯酸异癸酯(例如可获自萨托默公司的sr395；和获自cps化学公司的ageflexfa10)、丙烯酸十一烷酯、丙烯酸十二烷酯、丙烯酸十三烷酯(例如可获自萨托默公司的sr489)、丙烯酸月桂酯(例如可获自萨托默公司的的sr335、可获自cps化学公司(新泽西州老桥)的ageflexfa12、和可获自igm树脂公司的photomer4812)、丙烯酸十八烷基酯、和丙烯酸硬脂酯(例如可获自萨托默公司的sr257)；丙烯酸氨基烷基酯，诸如丙烯酸二甲基氨基乙酯、丙烯酸二乙基氨基乙酯、和丙烯酸7-氨基-3,7-二甲基辛酯；烷氧基烷基丙烯酸酯，诸如丙烯酸丁氧基乙酯、丙烯酸苯氧基乙酯(例如可获自萨托默公司的sr339、可获自cps化学公司的ageflexpea、和可获自igm树脂公司的photomer4035)、丙烯酸苯氧基缩水甘油酯(例如可获自萨托默公司的cn131)、月桂酰氧基缩水甘油基丙烯酸酯(例如可获自萨托默公司的cn130)、和丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯(例如可获自萨托默公司的sr256)；单环和多环环状芳族或非芳族丙烯酸酯，诸如丙烯酸环己酯、丙烯酸苄酯、丙烯酸二环戊二烯酯、丙烯酸二环戊酯、丙烯酸三环癸酯、丙烯酸苄酯、丙烯酸异冰片酯(例如可获自萨托默公司的sr423和sr506、可获自cps化学公司的ageflexiboa)、丙烯酸四氢糠酯(例如可获自萨托默公司的sr285)、丙烯酸己内酯(例如可获自萨托默公司的sr495；和可获自联合碳化物公司(unioncarbidecompany)(康涅狄格州丹伯里)的tonem100)、和丙烯酰吗啉；醇基丙烯酸酯，诸如聚乙二醇单丙烯酸酯、聚丙二醇单丙烯酸酯、甲氧基乙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚丙二醇丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、乙氧基二甘醇丙烯酸酯、和各种烷氧基化烷基酚丙烯酸酯，诸如乙氧基化(4)壬基酚丙烯酸酯(例如可获自igm树脂公司的photomer4003；和可获自萨托默公司的的sr504)和丙氧基化壬基酚丙烯酸酯(例如可获自igm树脂公司的photomer4960)；丙烯酰胺，诸如双丙酮丙烯酰胺、异丁氧基甲基丙烯酰胺、n，n'-二甲基-氨基丙基丙烯酰胺、n，n-二甲基丙烯酰胺、n，n-二乙基丙烯酰胺、和叔辛基丙烯酰胺；乙烯基化合物，诸如n-乙烯基吡咯烷酮和n-乙烯基己内酰胺(均可获自亚什兰公司(ashlandinc.)(肯塔基州卡温顿))；以及酸酯，诸如马来酸酯和富马酸酯。
可固化单体稀释剂可包括单一稀释剂组分、或两种或更多种单体稀释剂组分的组合。(多种)可固化单体稀释剂(共同地)通常以约10wt％至约60wt％、更优选约20wt％至约50wt％、并且最优选约25wt％至约45wt％的量存在于主层涂层组合物中。
主层涂层组合物的可辐射固化组分可包括n-乙烯基酰胺，诸如n-乙烯基内酰胺、或n-乙烯基吡咯烷酮、或n-乙烯基己内酰胺。n-乙烯基酰胺单体可以以0.1wt％至40wt％、或2wt％至10wt％的浓度存在于主层组合物中。
主层涂层组合物可包含一种或多种单官能(甲基)丙烯酸酯单体，其量为5wt％至95wt％，或0wt％至75wt％，或40wt％至65wt％。主涂层组合物可包含一种或多种单官能脂族环氧(甲基)丙烯酸酯单体，其量为5wt％至40wt％，或10wt％至30wt％。
单官能可辐射固化单体可以以10wt％-60wt％、或10wt％-30wt％，或30wt％-60wt％、或40wt％-80wt％、或60wt％-80wt％的浓度存在于主层涂层组合物中。可辐射固化涂层组合物可包含一种或多种单官能(甲基)丙烯酸酯单体，其量为5wt％至95wt％，或0wt％至75wt％，或40wt％至65wt％。可辐射固化涂层组合物可包含一种或多种单官能脂族环氧(甲基)丙烯酸酯单体，其量为5wt％至40wt％，或10wt％至30wt％。
主层涂层组合物的总单体含量可以在5wt％-95wt％的范围内，或者在20wt％-95wt％的范围内，或者在40wt％-95wt％的范围内，或者在60wt％-95wt％的范围内，或者在40wt％-85wt％的范围内，或者在60wt％-85wt％的范围内，或者在30wt％-75wt％的范围内，或者在40wt％至65wt％的范围内。
主层组合物的可辐射固化组分可包括可辐射固化的单官能或多官能低聚物。低聚物可以是(甲基)丙烯酸酯封端的低聚物。低聚物可包括聚醚丙烯酸酯(例如，可获自拉恩美国公司(rahnusa)(伊利诺伊州奥罗拉)的genomer3456、聚酯丙烯酸酯(例如，可获自赛特克工业公司(cytecindustriesinc.)(新泽西州伍德兰德公园)的ebecryl80、ebecryl584和ebecryl657)、或多元醇丙烯酸酯。低聚物可以是二(甲基)丙烯酸酯、三(甲基)丙烯酸酯、四(甲基)丙烯酸酯、或更高级的(甲基)丙烯酸酯。多元醇(甲基)丙烯酸酯可包括聚烷氧基(甲基)丙烯酸酯或多元醇(甲基)丙烯酸酯。示例包括聚乙二醇二丙烯酸酯和聚丙二醇二丙烯酸酯。单官能或多官能低聚物可以缺少氨基甲酸酯基团、脲基团、异氰酸酯基团和/或氢供体基团。
在某些实施例中，可辐射固化的低聚物可包括一种或多种含有两种或更多种α,β-不饱和酯、酰胺、酰亚胺或乙烯基醚基团或其组合的多元醇。这些含多元醇的低聚物的示例性类别包括但不限于包含超过一种丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、马来酸酯、富马酸酯、丙烯酰胺、马来酰亚胺或乙烯基醚组的多元醇丙烯酸酯、多元醇甲基丙烯酸酯、多元醇马来酸酯、多元醇富马酸酯、多元醇丙烯酰胺、多元醇马来酰亚胺或多元醇乙烯基醚。可固化交联剂的多元醇部分可以是聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇或烃多元醇。
主涂层组合物的总可辐射固化的低聚物含量可小于20wt％，或者小于15wt％，或者小于10wt％，或者小于5wt％，或者小于3wt％，或者在约0.5wt％至约25wt％之间，或者在约1wt％至约15wt％之间，或者在约2wt％至约10wt％之间。在一个实施例中，主涂层组合物不含可辐射固化的低聚物。
合适的光引发剂和任选的添加剂包括上文对可辐射固化和副层涂层组合物所述的那些。
主层的杨氏模量在本文中指定为配置为薄膜的主层组合物的固化样品的杨氏模量。借助于间隙厚度为约0.005"的下拉盒将主层组合物的湿膜浇铸在硅氧烷剥离纸上。通过具有600w/英寸的d-灯泡(50％功率和约12ft/min带速度)的fusionsystems(融合系统)uv固化装置以1.2j/cm2的uv剂量(通过来自国际照明公司的光缺陷模型(lightbugmodel)il490在225nm-424nm的波长范围上测量)固化湿膜，以产生以膜形式配置的主层。固化的膜厚度为约80μm(0.0031")。
在测试之前，使主层膜老化(23℃，50％相对湿度)至少16小时。使用切割模板和手术刀将主层膜样品切割成12.5cm×13mm的指定尺寸。使用mtssintech拉伸测试仪在主层膜样品上测量杨氏模量。杨氏模量定义为应力-应变曲线的开始的最陡斜率。以2.5cm/min的伸长率测试主层膜，初始标距长度为5.1cm。
使用上述程序，当配置为厚度为80μm的膜时，主层的杨氏模量小于1mpa，或者小于0.75mpa，或者小于0.50mpa，或者小于0.35mpa，或者在0.25mpa-1.0mpa的范围内，或者在0.30mpa-0.9mpa的范围内，或者在0.35mpa-0.8mpa的范围内，或者在0.4mpa-0.7mpa的范围内。
除非另外明确地指出，此处所阐述的任何方法决不会被解释为要求其步骤以特定的顺序执行。因此，在方法权利要求实际上不叙述其步骤跟随的次序、或者在权利要求或说明书中未以其他方式说明这些步骤限于特定次序的情况下，不打算推断出任何特定顺序。
对于本领域技术人员而言将明显的是，在不背离所示出的实施例的精神或范围的情况下可作出各种修改和变化。由于本领域技术人员可能发生结合实施例的精神和实质对所公开实施例加以修改、加以组合、产生子组合和变体，所以所示出的实施例应当解释为包括在所附权利要求及其等同物的范围之内的每一事项。
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